«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции



Скачать 115.42 Kb.
Дата27.04.2013
Размер115.42 Kb.
ТипЛекция

Любая С.И.

gif" align=left>Лекция № 10

Тема: «Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков»
План лекции.

1. Электрический диполь. Диполь в однородном и неоднородном поле.

2. Диэлектрики в электрическом поле.

3. Поляризация диэлектриков.

4. Изменение напряжённости электрического поля при введении диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость.

5. Сегнетоэлектрики. Пьезоэффект.


  1. Электрический диполь. Диполь в однородном и неоднородном поле.


Электрический диполь – это система из двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, расстояние между которыми во много раз меньше расстояний до рассматриваемых точек.

Вектор l, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному, и равный расстоянию между зарядами, называется плечом диполя.

Вектор , называется дипольным моментом или электрическим моментом диполя.

Во внешнем однородном поле на диполь будет действовать момент пары сил F.



Очевидно, что М=0, при sin=0, т.е. в однородном электрическом поле диполь ориентируется так, что его дипольный момент направлен вдоль вектора напряженности поля.

Рассмотрим, как будет себя вести диполь в неоднородном поле. В этом случае диполь будет обладать потенциальной энергией



Так как и , то для потенциальной энергии получим выражение .

Раннее мы показали, что



и значит, что на диполь в этом случае будет действовать сила



При <, >0 - диполь будет втягиваться в поле.

При >, <0 - диполь будет выталкиваться из поля.

2. Диэлектрики в электрическом поле.

Термин "диэлектрики" введен Фарадеем. Диэлектрики (как и всякое вещество) состоят из атомов и молекул. Положительный заряд сосредоточен в ядрах атомов и молекул, а отрицательный – в электронных оболочках атомов. Так как положительный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов, то молекула в целом нейтральна и её можно рассматривать как электрический диполь с дипольным моментом определяемым по формуле:



Первую группу диэлектриков (азот, водород, кислород и др.) составляют вещества, молекулы которых имеют симметричное строение и, следовательно, дипольный момент такой молекулы равен нулю. Молекулы таких диэлектриков называются неполярными. Во внешнем электрическом поле с напряженностью заряды неполярных молекул смещаются в разные стороны ( деформационная или электронная поляризация) и диэлектрик приобретает дипольный момент

,

где - коэффициент пропорциональности, называемый поляризуем остью молекулы и зависящий от строения молекулы,

- электрическая постоянная,

V - объем диэлектрика.

К неполярным диэлектрикам относятся: водород, кислород, азот и другие молекулы которых в отсутствие электрического поля не имеют дипольного момента. В неполярных диэлектриках центры масс положительных и отрицательных зарядов совпадают. В отсутствие внешнего электрического поля дипольный момент молекулы неполярного диэлектрика равен 0.

Если же поместить диэлектрик в электрическое поле, напряженностью Е, положительный заряд сместится в направлении


Н2

Е=0

Е=0, Ре=0

Молекула станет полярной.
E=0 E
Вторую группу диэлектриков (вода, окись углерода, метан, нитробензол, аммиак) образуют вещества молекулы, которых имеют ассиметричное строение и значит, молекулы их обладают дипольным моментом . Молекулы таких диэлектриков называют полярными. В отсутствии внешнего электрического поля, вследствие хаотического теплового движения, дипольные моменты молекул ориентированны хаотически и результирующий дипольный момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то силы этого поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля (ориентационная поляризация) и диэлектрик приобретает дипольный момент

,

где n – концентрация молекул,

- дипольный момент молекулы,

k – постоянная Больцмана,

Т – абсолютная температура,

V – объем диэлектрика.

Как видно из этого выражения ориентационная поляризация зависит от абсолютной температуры.

Третью группу диэлектриков (NaCl, KCl, KBr) представляют так называемые ионные кристаллы, представляющие собой кристаллические решетки с правильным чередованием ионов различных знаков. В этом случае нельзя рассматривать отдельные молекулы, а нужно рассматривать как две подрешетки вдвинутые друг в друга. При помещении такого диэлектрика во внешнее электрическое поле решетки смещаются относительно друг друга (ионная поляризация) и диэлектрик приобретает дипольный момент отличный от нуля.

Итак, внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего дипольного момента, или иными словами к поляризации диэлектрика.

Диэлектрик называется однородным и изотропным, если все его свойства одинаковы в любой точке объёма.


Н2О
106˚

Н Н


В отсутствии поля дипольные молекулы ориентированы хаотически и векторная сумма моментов равна 0

3. Поляризация диэлектриков.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика - это переход его в такое состояние, когда внутри малого объёма вещества геометрическая сумма векторов дипольных электрических моментов молекул неравна 0. Такой диэлектрик называется поляризованным.

Поляризация диэлектриков с полярными молекулами называется ориентационной. Она уменьшается с повышением температуры.

Поляризация диэлектриков с неполярными молекулами называется деформационной или электронной поляризацией.

В твердых кристаллических диэлектриках типа NaCl, имеющих ионную кристаллическую решётку, возможна ионная поляризация. Для характеристики процесса поляризации вводят понятия вектор поляризации.


Р- дипольный момент отдельной молекулы.

V- единица объёма тела.

Вектор поляризации определяется суммарным электрическим моментом всех его молекул расположенных в единице объёма.

4. Изменение напряжённости электрического поля при введении диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость.
При поляризации диэлектрика на одной его поверхности (грани) создаётся положительный заряд, на другой отрицательный. Эти заряды связаны, так как они принадлежат молекулам диэлектрика и не могут перемещаться в отрыве от молекул или быть удалены с поверхности диэлектрика.


Е0
Е/
Е
Если диэлектрик поместить в электрическое поле напряженностью Е0, то в результате поляризаций он создаёт ионы , направленное против внешнего поля Е0.

Результирующая напряженность Е

Е=Е0 –Е/

Отношение = е -диэлектрическая проницаемость среды.

Она характеризует способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.

Е= е

При исчезновении внешнего поля исчезает и поляризация диэлектрика, то есть тепловое движение разрушает ориентацию молекул.

В твердых кристаллических диэлектриках типа NaCl, имеющих ионную кристаллическую решётку, возможна ионная поляризация - при внесении диэлектрика в электрическое поле положительные ионы решётки смещаются в направлении вектора напряженности поля, а отрицательные ионы - в противоположную сторону.

Поляризация диэлектриков.

Напряженность электрического поля в диэлектрике.
Во внешнем электрическом поле диэлектрик поляризуется, т.е. приобретает отличный от нуля дипольный момент , где дипольный момент отдельной молекулы.

Степень поляризованности макроскопического тела принято характеризовать вектором поляризованности , который в случае однородно поляризованного тела, определяется как дипольный момент единицы объема тела:



В случае неоднородно поляризованного тела поляризованность определяется для каждого физически малого объема.



Способность вещества изменять свою поляризованность под действием внешнего электрического поля характеризует диэлектрическая восприимчивость . Опыт показывает, что для большинства веществ (исключение сегнетоэлектрики)

,

где - диэлектрическая восприимчивость, величина безразмерная, больше нуля и составляет несколько единиц, хотя есть и исключения (вода, спирт).

Для определения напряженности электрического поля в диэлектрике рассмотрим следующий опыт. Поместим пластинку из диэлектрика в однородное электрическое поле с напряженностью , создаваемое б6есконечными заряженными пластинами. Под действием электрического поля заряды в диэлектрике смещаются: отрицательный против поля, положительные по полю. В результате этого на поверхностях пластинки появляются связанные электрические заряды, создающие дополнительное электрическое поле с напряженностью . Согласно принципу суперпозиции полей напряженность поля в диэлектрике будет определяться по формуле



Так как поле создается заряженными плоскостями, то

,

где - поверхностная плотность связанных зарядов.

Определим поверхностную плотность связанных зарядов . Полный дипольный момент диэлектрика по 2,4 равен , но с другой стороны следовательно,



Т.О. для напряженности поля в диэлектрике окончательно получим:

,

где - диэлектрическая проницаемость вещества, показывающая во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в диэлектрике по сравнению с вакуумом.

Напряженность электрического поля зависит от свойств среды.
5. Сегнетоэлектрики. Пьезоэффект.
Сегнетоэлектрики.

Некоторые химические соединения в твердом состоянии имеют весьма необычные электрохимические свойства. Впервые эти свойства были обнаружены у сегнетовой соли и поэтому этот класс веществ получил название сегнетоэлектриков. Детальное исследование свойств сегнетовой соли было произведено И.В. Курчатовым и П.П. Кобеко в 1931 – 34 г.г.

Основные свойства сегнетоэлектриков:

  1. Сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости ( ).

  2. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков является нелинейной функцией напряженности электрического поля.

  3. Диэлектрическая проницаемость зависит не только от напряженности электрического поля, но и от предыстории образца, т.е. его предшествующей поляризации. Другими словами наблюдается диэлектрический гистерезис.

  4. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура выше которой его необычные свойства исчезают. Эта температура получила название точки Кюри. Как правило сегнетоэлектрики имеют одну точку Кюри, хотя есть и исключения. Например, у сегнетовой соли две точки ().

Эти свойства сегнетоэлектриков объясняются тем, что в отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики представляют собой как бы мозаику из доменов – областей с различными направлениями спонтанной (самопроизвольной) поляризованности. Так, что в целом сегнетоэлектрик не поляризован, т. е. дипольный момент равен нулю.

При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникающее при этом электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля.

Пьезоэфект

Опыт показывает, что в некоторых кристаллах поляризация может возникать только под действием электрического поля, но и под действием механических напряжений. Это явление, впервые изучено П. и Ж. Кюри, получило название пьезоэлектрического эффекта или пьезоэффекта.

Если из кристалла кварца вырезать определенным образом пластинку и сжимать (растягивать) её в направлении перпендикулярном к оптической оси, то в ней возникает поляризация, и на поверхности пластинки появляются поляризованные заряды. Опыт показывает, что при изменении знака деформации, т. е. при переходе от растяжения к сжатию, знак поляризационных зарядов изменяется.

Величина вектора поляризации (в определенном интервале изменений) пропорциональна механическому напряжению.

Наряду с прямым пьезоэффектом, существует и обратное ему явление (обратный пьезоэффект): в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации всегда сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать напряжение, то он под действием поля поляризуется и деформируется.

Пользуясь этим обстоятельством можно осуществлять различные типы деформации. При подачи напряжения на пластинки одна из них растягивается, а другая сжимается, в результате чего и возникает деформация изгиба. Если такие пластинки сгибать внешними силами, то на пластинках появится напряжение. Очевидно, что такой пьезоэффект не отвечает на сжатие и растяжение, так как возникающее при этом электрические поля направлены в разные стороны и разность потенциалов равна нулю.

Похожие:

«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconЛекция №19 электрическое поле проводников план
Распределение свободных зарядов в проводнике. Электрическое поле внутри проводника и у его поверхности
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconЛекция №14. Электрическое поле в диэлектриках Проводники и диэлектрики. Свободные и связанные заряды
Диполь в однородном и неоднородном электрическом поле. Диэлектрики в электростатическом поле. Вектор поляризации. Электрическое смещение....
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconПятая тема. Предпосылки возникновения теории относительности. Законы электродинамики
Из этого опыта следовало, что изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле. Позже выяснилось, что это электрическое поле...
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconВопросы, выносимые на экзамен по дисциплине " теоретические основы электротехники"
Электрическое поле и его основные характеристики. Основные величины, характеризующие электрическое поле
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconМодель урока «Электрическое поле» Тема. Электрическое поле
Основной характеристики электрического поля – напряженности. Изучение принципа суперпозиции электрических полей. Продолжение формирования...
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconЛекции: 32 час практические (семинарские) занятия: 32 часа лабораторные занятия: нет
Поток векторного поля. Закон Гаусса для электрического поля в вакууме. Электрическое поле заряженных тел: сферы, шара, нити, цилиндра,...
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconЭлектромагнитное поле и его влияние на здоровье человека
На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины "электрическое поле", "магнитное поле", "электромагнитное...
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconЭлектромагнитное поле и его влияние на здоровье человека
На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины "электрическое поле", "магнитное поле", "электромагнитное...
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconБилет 1 Билет 2
Электрическое взаимодействие, электрический заряд. Закон Кулона. Электрическое поле, силовые линии
«Электрическое поле в среде. Поляризация диэлектриков» План лекции iconПравила Кирхгофа. Конденсатор. Емкость. Проводники в электрическом поле. Эдс диэлектрики в электрическом поле. Восприимчивость, поляризация. Магнитные силы. Сила Лоренца

Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org